基于模态的瞬态结构分析

文摘   2024-09-28 19:59   安徽  
Ansys另外还提供了一种模态叠加求解方法,用于执行线性瞬态结构分析。该方法通过将结构的瞬态响应分解为各个模态的线性组合,从而减少系统自由度,极大地提高计算效率,特别是在涉及大规模自由度的复杂结构时。模态叠加法假设系统是线性的,适用于线性弹性结构的分析,如果存在较强的非线性效应,这种方法不适用。Samcef、ABAQUS求解器不支持该方法。

1、运动方程

瞬态结构分析原理中所述,一般的动力学系统中,结构的运动方程可以表示为,

2、模态分解

模态分析流程中所述,通过模态分析,求解出特征值问题,

其中,ωii个模态的固有频率,Φi是第i个模态的模态形状向量。

3、模态叠加

结构的位移响应u(t)可以表示为模态形状的线性组合,

其中,qi(t)是第i个模态的广义坐标(模态在时间t上的贡献),Φi是第i个模态的模态形状向量。

4、简化运动方程

将上述位移表达式u(t)代入原运动方程,并利用模态正交性(模态之间相互独立,互不耦合),可以将原本的耦合系统转化为一组独立的标量方程,针对每个模态都有如下形式,

其中,ζi是第i个模态的阻尼比,ωi是第i个模态的固有频率,是外部载荷在该模态上的投影。

5、模态叠加

通过求解每个模态的广义坐标qi(t),最终的总响应u(t)可以通过叠加各个模态的响应来得到,

6、分析流程

此分析基于模态响应分析,因此模态分析是先决条件。先进行模态分析,获得结构的固有频率和模态形状,详细流程参见模态分析流程。在瞬态分析(分析流程见瞬态结构分析流程)中,基于模态叠加法,利用模态分析的结果计算系统在随时间变化的载荷下的响应。




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